CC BY
26
УДК 629.4.027.3
А. В. Агунов, В. В. Каверин, Е. И. Макарова, И. А. Ролле
РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ПОДВЕСКИ С АКТИВНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДВУХОСНОЙ ТЕЛЕЖКИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Дата поступления: 21.11.2018 Решение о публикации: 15.01.2019
Аннотация
Цель: Разработка проекта макета двухосной ходовой тележки подвижного состава для проведения испытаний, настройки и отработки алгоритмов управления подвеской на участке пути с заданными рельефом, профилем и дефектами. Макет при этом должен быть компактным и позволять выполнять быструю настройку большого числа параметров рессорного подвешивания. Кроме того, необходимо разработать проект пути и алгоритм проведения испытаний, в связи с чем для достижения поставленной цели следует спроектировать такие основные узлы как обладающий достаточным быстродействием актуатор, регулируемый гидравлический гаситель колебаний и рама тележки. Методы: При проектировании использован аналитический метод. Результаты: Представлен макет двухосной тележки, включающий в себя систему управления, раму тележки, колесные пары, активные элементы подвески амортизаторы, систему привода, а также путь. Предложен алгоритм проведения испытаний. Проанализированы преимущества и недостатки применения данного макета в сравнении с катковым стендом. Практическая значимость: Описанная конструкция позволяет проводить наглядные испытания рессорного подвешивания для ходовой двухосной тележки как на прямолинейных, так и на радиусных участках пути, быстро выполнять настройку и перенастройку таких характеристик как база тележки, масса тележки, жесткость упругих элементов, регулировать диаметр дроссельного отверстия в гасителях колебаний, изменять режим работы активных элементов, отрабатывать на действующем макете алгоритмы управления подвеской тележки без существенных трудозатрат. Применение такого макета тележки, наглядно демонстрирующего поведение подвески, может быть полезно при обучении студентов.
Ключевые слова: Рессорное подвешивание, активная подвеска, макетирование.
Alexander V. Agunov, D. Eng. Sci., professor, agunov_av@yandex.ru; *Vyacheslav V. Kaverin, postgraduate student, slavakaverin@gmail.com; Elena I. Makarova, D. Eng. Sci., professor, elt@pgups.ru; Igor A. Rolle, Cand. Eng. Sci., associate professor, igor.rollet@inbox.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University) DEVELOPMENT OF THE UNIVERSAL COMPLEX FOR SUSPENSION OPERATION STUDY WITH ACTIVE ELEMENTS OF THE ROLLING STOCK BOGIE TRUCK. DOI: 10.20295/1815-588X-2019-1-25-30
Summary
Objective: To develop a model of a rolling stock bogie truck for tests, settings and refinement of suspension control algorithms at the section of track with specified relief, profile and defects. The model has to be compact and make it possible to fulfill express settings of the major part of bogie suspension parameters. Moreover, it is necessary to develop a track model, as well as a test performance algorithm. In order to achieve the above-stated objectives it is essential to design such crucial components as an actuator with sufficient operation speed, hydraulic shock absorber and bogie frame. Methods: The design was carried out by means of analytical method. Results: The bogie truck model was presented, comprising the control system, bogie frame, wheel pair, active suspension elements, shock absorbers, drive system as well as the track. A test performance algorithm was introduced. The advantages and disadvantages of applying
the model in question were analyzed compared with a roller rig. Practical importance: The specified construction makes it possible to perform vivid tests of bogie suspension for a traversing two-axle bogie both at straight and radial track sections, carry out rapid setting and resetting of such characteristics as wheelbase, bogie mass, spring stiffness, control the diameter of snubber orifice in shock absorbers, change mode of operation of active components, as well as to develop bogie truck control algorithms on the service model with minimum labor cost. Application of the given model, clearly demonstrating the suspension behavior, may be useful for training students.
Keywords: Bogie suspension, active suspension, modeling.
Введение
Проектирование активной подвески для подвижного состава железных дорог является сложной задачей с большим количеством неявно связанных между собой параметров. Именно поэтому при проектировании активной подвески подвижного состава железных дорог часто приходится прибегать к упрощениям, пренебрегать рядом факторов, влияющих на динамику взаимодействия элементов подвески и путевой структуры [1-13].
Компьютерное моделирование в настоящее время также не позволяет провести достаточно достоверные испытания модели. Подобный вид испытаний имеет те же недостатки, что и аналитический метод, связанные с использованием допустимых упрощений ряда факторов.
Эти обстоятельства влияют на качество работы подвески и, как следствие, приводят к занижению характеристик проектируемого подвижного состава в целом. Учитывая вышесказанное, можно прийти к выводу, что для получения более достоверных результатов целесообразно осуществлять физические испытания на масштабном макете тележки.
Для проведения исследований системы «колесо-рельс» широко применяются кат-ковые стенды. Они, как правило, состоят из рамы с участком рельсового пути, в котором имеются разрывы с размещенными в них катками увеличенного диаметра, имитирующими рельс. Катки приводятся в движение от регулируемого электропривода. Изучаемая система рессорного подвешивания устанавливается колесами на катки (в основном используется
тележка подвижного состава). Для моделирования вертикальных и горизонтальных сил, действующих в точке контакта «колесо-рельс», применяются гидроцилиндры, находящиеся в местах крепления катков. Стенд управляется с помощью микропроцессорной системы.
Для каткового стенда характерны следующие недостатки:
• отсутствует возможность проведения испытаний ходовой тележки и тележек, имеющих различную базу;
• стенд не позволяет производить испытания на радиусных участках пути и в составе транспортного средства.
Для устранения вышеперечисленных недостатков был спроектирован комплекс, состоящий из макета двухосной тележки и фрагмента рельсового пути. Кроме того, с помощью данного макета можно изменять такие характеристики транспортного средства как длина базы тележки, жесткость упругих элементов, величина диссипативной силы, возникающей в гасителях колебаний, а также, благодаря активным элементам, создавать по определенному закону вертикальные усилия в подвеске.
Создаваемая тележка должна соответствовать следующему: 1) число упругих связей в ней должно быть одинаковым с исследуемым объектом; 2) элементы упругих связей должны быть установлены в требуемых местах; 3) должны быть предусмотрены соответствующие крепежные элементы; 4) обладать регулируемым центром масс; 5) иметь регулируемую массу и регулируемую длину колесной базы тележки; 6) обладать настраиваемой жесткостью подвески; 7) иметь возможность настраивать диссипативные силы в гидравлических
гасителях колебаний; 8) включать в свой состав активные элементы подвески.
Система управления
Система управления считывает показания с акселерометров (рис. 1, 5), установленных в районе шеек осей колесных пар, а также в центре рамы тележки, обрабатывает полученные данные в соответствии с заданным алгоритмом и генерирует сигналы для управления активными элементами подвески. Питание активных элементов осуществляется с помощью контроллеров. Кроме того, реализована возможность передачи данных по беспроводному каналу связи. В качестве контроллера используется плата Arduino Uno R3 (рис. 1, 3).
1 4 9 5 3
Рис. 1. Макет тележки: 1 - рама тележки; 2 - колесная пара; 3 - плата Arduino Uno; 4 - контроллер
активного элемента подвески; 5 -акселерометр; 6 - активный элемент подвески; 7 - амортизатор; 8 - шаговый электродвигатель; 9 - расширительный масляный бак
Рама макета тележки
В основе конструкции лежит рама макета тележки, состоящая из трех основных элементов, основания боковин и крыши. На раме размещается оборудование и устанавливаются элементы подвески, как активные, так и пассивные, для чего в деталях предусмотрен ряд
сквозных монтажных отверстий. Конструкция рамы тележки позволяет изменять колесную базу посредством перемещения осей колесных пар вдоль прорезей в рычагах. Детали рамы изготавливаются из листовой стали.
Колесные пары
Для приведения макета тележки в движение используются колесные пары (рис. 1). Каждая из них состоит из двух колесных дисков, посаженных на ось колесной пары. Кроме колес, на одну из осей посажен шкив для передачи крутящего момента от двигателя.
Активные элементы подвески
Активные элементы предназначены для создания вертикальных усилий в подвеске тележки. Управление активным элементом подвески осуществляется изменением тока, протекающего по катушке. Конструкция активного элемента подвески представлена на рис. 2. Возбуждение обеспечивается за счет постоянных магнитов. Принцип действия активных элементов аналогичен работе динамической головки.
Амортизаторы
Конструкцию амортизатора иллюстрирует рис. 3. Он состоит из двух основных элементов, пружины и гасителя колебаний.
Гасители колебаний представляют собой полые цилиндры, сообщающиеся через дроссельное устройство с масляным баком. Жесткость пружины регулируется завинчиванием регулировочных гаек.
Привод
Привод осуществляется от шагового электродвигателя 28ВУ1-48 через клиноременную
Рис. 2. Активный элемент подвески: 1 - постоянный магнит; 2 - катушка; 3 - магнитопровод; 4 - направляющая; 5 - подвижная часть
Рис. 3. Амортизатор: 1 - гаситель колебаний; 2 - масляный бак; 3 - дроссельное устройство; 4 - пружина; 5 - регулировочная гайка
передачу на одну колесную пару, что дает возможность с достаточной точностью задавать скорость движения тележки. Ось электродвигателя расположена концентрично оси поворота рычагов подвески, позволяя уменьшить влияние клиноременной передачи на результаты испытаний.
Набор грузов
Грузы выполнены в виде пластин из листовой стали с крепежными отверстиями. Набор грузов приводит к изменению массы тележки.
Фрагмент пути
Путь собирается из фрагментов, каждый из которых имеет заданные профиль и дефекты. В начале и конце пути устанавливаются концевые выключатели, с помощью которых определяется конец пути, и происходит либо
остановка, либо реверсирование. Длина пути ограничивается размерами помещения, в котором предполагается проводить испытания, при этом на геометрию пути никакие ограничения не накладываются. Фрагменты пути состоят из нарезанных из фанеры при помощи лазера рельсов и шпал. Фрагмент пути представлен на рис. 4.
Испытания
Был разработан следующий алгоритм проведения испытаний:
• выполняется настройка параметров рессорного подвешивания макета тележки;
• загружается алгоритм управления активными элементами подвески в контроллер;
• производится монтаж пути, имеющего необходимый профиль;
• макет тележки устанавливается на путь;
• осуществляется запуск макета с использованием беспроводного канала связи;
Рис. 4. Фрагмент пути
• макет начинает движение с заданными параметрами цикла (например, разгон, движение с постоянной скоростью, замедление) и останавливается в конце пути. Производится реверсирование движения, макет тележки доезжает до противоположного конца пути, прекращает движение и отправляет отчет на связанную с ним ЭВМ по беспроводному каналу связи.
Заключение
Проанализированы преимущества и недостатки применения данного макета в сравнении с катковым стендом. В качестве основных преимуществ можно выделить возможность:
• проведения испытаний ходовой тележки;
• регулировки длины базы тележки;
• проведения испытаний на радиусных участках пути.
К основным недостаткам относятся:
• поведение масштабной модели может отличаться от поведения исследуемого объекта;
• для сборки испытательного пути требуется большое пространство.
Библиографический список
1. Антипов В. А. Подавление вибрации агрегатов и узлов транспортных систем / В. А. Антипов. - М. : Маршрут, 2004. - 395 с.
2. Бухгольц Н. Н. Основной курс теоретической механики / Н. Н. Бухгольц. - М. : Наука, 1966. -332 с.
3. Люк М. Стенд для исследования системы колесо-рельс / М. Люк и др. ; пер. с нем. // Железные дороги мира. - 2005. - № 4. - С. 41-46.
4. Кручек В. А. Особенности кинематического расчета осевого редуктора колесной пары с горизонтальной реактивной тягой в групповом тяговом приводе локомотива / В. А. Кручек, А. М. Евстафьев // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. -СПб. : ПГУПС, 2017. - Т. 14, вып. 1. - С. 52-62.
5. Дембаримдекер А. Д. Амортизаторы с регулируемым сопротивлением / А. Д. Дембаримдекер // Автомобильная промышленность. - 1968. -№ 3. - С. 42-45.
6. Дембаримдекер А. Д. Амортизаторы транспортных машин / А. Д. Дембаримдекер. - М. : Машиностроение, 1985. - 199 с.
7. Орлов П. И. Основы конструирования / П. И. Орлов. - М. : Машиностроение, 1977. -623 с.
8. Кручек В. А. Влияние технологических погрешностей на кинематику вращательного перемещения осевого редуктора с горизонтальной реактивной тягой в групповом тяговом приводе локомотива / В. А. Кручек, А. М. Евстафьев // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2017. - Т. 14, вып. 2. - С. 256-266.
9. Медель В. Б. Подвижной состав электрических железных дорог. Конструкция и динамика : учебник для ин-тов ж.-д. транспорта / В. Б. Ме-дель. - Изд. 4-е, перераб. - М. : Транспорт, 1974. -232 с.
10. Гемке Р. Г. Неисправности электрических машин / Р. Г. Гемке. - М. : Энергоатомиздат, 1989. -296 с.
11. Фурунжиев Р. И. Современные направления создания новых средств виброзащиты / Р. И. Фурун-жиев, А. Н. Останкин. - Минск : Изд-во БНИИН-ТИТЭИ, 1976. - 45 с.
12. Goodall R. M. Active control of railway bogies - assessment of control strategies / R. M. Goodall, C. P. Ward // The International Symposium on Speed-Up and Sustainable Technology for Railway and Maglev Systems (STECH 2015). - Chiba, Japan. - 2015. - November 10-12. - P. 1-10.
13. Goodall R. M. Mechatronic developments for railway vehicles of the future / R. M. Goodall, W. Kor-tum // Control Engineering Practice. - October 2002. -P. 887-898.
References
1. Antipov V. A. Podavleniye vibratsii agregatov i uzlov transportnykh system [ Vibration control of power units and transportation hubs]. Moscow, Marshrut Publ., 2004, 395 p. (In Russian)
2. Bukhgoltz N. N. Osnovnoy kurs teoreticheskoy mekhaniky [Theoretical mechanics: basic course]. Moscow, Nauka Publ., 1966, 332 p. (In Russian)
3. Luke M. Stend dlya issledovaniya sustem koleso-rel's [Stand for the study of the system wheel-rail]. Zhelezniye dororgy mira [Railroads of the world], 2005, no. 4, pp. 41-46 (In Russian)
4. Kruchek V. A. & Evstafiyev A. M. Osobennosty kinematicheskogo rascheta osevogo reduktora kolesnoy pary s gorizontalnoy reaktivnoy tyagoy v gruppovom tyagovom privode lokomotiva [Kinematic calculation specificities of axle reduction gear of a wheel set with horizontal jet propulsion in group power actuator]. Iz-vestiya Peterburgskogo universitetaputey soobshche-niya [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, Petersburg State Transport University Publ., 2017, vol. 14, issue 1, pp. 52-62. (In Russian)
5. Dembarimdeker A. D. Amortizatory s reguliruye-mym soprotivleniyem [Shock absorbers with adjustable resistance]. Avtomobilnaya promyshlennost [Motor industry], 1968, no. 3, pp. 42-45. (In Russian)
6. Dembarimdeker A. D. Amortizatory transport-nykh mashin [Vehicle shock absorbers]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1985, 199 p. (In Russian)
7. Orlov P. I. Osnovy konstruirovaniya [Design principles]. Moscow, Mashinostroyeniye Publ., 1977, 623 p. (In Russian)
8. Kruchek V.A. & Evstafiyev A. M. Vliyaniye tekh-nologicheskykh pogreshnostey na kinematiku vrash-chatelnogo peremeshcheniya osevogo reduktora s gori-zontalnoy reaktivnoy tyagoy v gruppovom tyagovom
privode lokomotiva [The influence of process errors on kinematics of axle reduction gear rotary movement with horizontal jet propulsion in group power actuator]. Izvestiya Peterburgskogo universiteta putey soob-shcheniya [Proceedings of Petersburg Transport University]. Saint Petersburg, Petersburg State Transport University Publ., 2017, vol. 14, issue 2, pp. 256-266. (In Russian)
9. Medel V. B. Podvizhnoy sostav elektricheskykh zheleznykh dorog. Konstruktsiya i dinamika [Electric railways rolling stock. Design and dynamics]. Uchebnik dlya in-tov zh.-d. transporta [Textbook for the universities of railway transport]. 4th ed. rev. Moscow, Transport Publ., 1974, 232 p. (In Russian)
10. Gemke R. G. Neispravnosty elektricheskykh mashin [Disorder of electrical machines]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989, 296 p. (In Russian)
11. Furunzhiyev R. I. & Ostankin A. N. Sovremen-niye napravleniya sozdaniya novykh sredstv vibrozash-chity [The development of new vibration protection means: current trends]. Minsk, BNIINTITEI Publ., 1976, 45 p. (In Russian)
12. Goodall R. M. & Ward C. P. Active control of railway bogies [Assessment of control strategies]. The International Symposium on Speed-Up and Sustainable Technology for Railway and Maglev Systems (STECH2015). Chiba, Japan, 2015, November 10-12, pp. 1-10.
13. Goodall R. M. & Kortum W. Mechatronic developments for railway vehicles of the future. Control Engineering Practice, October 2002, pp. 887-898.
АГУНОВ Александр Викторович - д-р техн. наук, профессор, agunov_av@yandex.ru; *КАВЕРИН Вячеслав Викторович - аспирант, slavakaverin@gmail.com; МАКАРОВА Елена Игоревна - д-р техн. наук, профессор, elt@pgups.ru; РОЛЛЕ Игорь Александрович - канд. техн. наук, доцент, igor.rollet@inbox.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
